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植物ESCRT复合体的功能研究进展
吴凡, 沈锦波, 胡帅
植物学报    2022, 57 (5): 697-712.   DOI: 10.11983/CBB22038
摘要   (820 HTML28 PDF(pc) (5724KB)(466)  

真核细胞中, 功能高度保守的内体蛋白分选转运装置ESCRT在胞吞途径和蛋白分泌途径中均扮演重要角色。植物细胞中, 该装置包含ESCRT-I、ESCRT-II、ESCRT-III和VPS4/SKD1复合体4个亚基, 但缺乏ESCRT-0亚基。ESCRT的每个亚基均由多个蛋白构成。目前, 针对ESCRT的研究已经证实, 其在泛素化的膜蛋白进入多囊泡体/液泡前体(MVB/PVC)内腔过程中发挥重要调控作用; 同时在自噬途径以及应对环境胁迫等方面也具有重要的调节功能。该文首先介绍了植物中ESCRT复合体的组成及生物学功能, 然后总结了植物中特有ESCRT复合体组分蛋白的最新研究进展, 最后探讨了有关ESCRT复合体研究中尚未解决的重要科学问题。



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图2 类TOM1 (TOL)家族蛋白与动物及酵母ESCRT-0组分蛋白的氨基酸序列比对
横线标注区域分别表示VHS和GAT结构域。
正文中引用本图/表的段落
在哺乳动物和真菌中, ESCRT-0由2个异聚亚基构成, 即VPS27/HRS (hepatocyte growth factor-regulated tyrosine kinase substrate)和Hse1 (Hbp STAM, EAST 1)/STAM (signal transducing adaptor molecule) (Gao et al., 2017)。ESCRT介导膜蛋白降解的第1步是ESCRT-0识别被泛素化的膜蛋白。植物中未发现ESCRT-0复合体的同源蛋白, 但已鉴定出具有识别泛素化标签功能的TOLs (TOM1-like proteins)家族蛋白, 推测TOLs家族蛋白可能具有类似于动物与酵母中ESCRT-0的功能(Korbei et al., 2013)。拟南芥基因组中包含9个编码TOLs蛋白的基因, 氨基酸序列分析发现它们编码的蛋白均具有保守的VHS (VPS27、HRS和STAM)和GAT (GGA and Tom1)结构域以及能够与网格蛋白识别并结合的保守基序(motif) (图2)。VHS和GAT结构域均可与K63泛素化链及VPS23结合, 其中GAT是TOL蛋白行使功能的核心结构域(Morita et al., 2007; Radulovic et al., 2018; Isono, 2020)。对TOLs家族蛋白的亚细胞定位及功能分析, 发现TOL2和TOL6定位于质膜和TGN, 通过泛素化结合结构域(ubiquitin-binding domain, UBD)识别被K63泛素化修饰的膜蛋白。UBD的突变不仅会导致TOL6失去结合泛素化链的能力而且会使其亚细胞定位发生变化, 最终使TOL6丧失生物活性(Yoshinari et al., 2018; Isono, 2020)。在高硼环境下, 定位于细胞质和MVB/PVC的TOL5蛋白则可参与调控硼离子运输载体BOR1 (Boron transporter 1)蛋白的分选和降解(Yoshinari et al., 2018)。由于ESCRT复合物与晚期内吞体的识别与结合依赖于ESCRT复合物组分蛋白的FYVE结构域, 可TOL家族蛋白均缺少FYVE结构域, 故植物中ESCRT如何结合到晚期内吞体膜上值得进一步探索。TOL3定位于细胞质, 而TOL9定位于细胞膜和TGN。TOLs家族蛋白的多种亚细胞定位暗示其功能具有多样性(Yoshinari et al., 2018; Isono, 2020)。虽然目前已发现TOLs蛋白功能缺失会造成生长素转运载体PIN2 (PIN-FORMED2)和突触融合蛋白KOLLE异常积累, 但是TOLs家族蛋白如何与已知的ESCRT蛋白互作并协同作用于泛素化蛋白分选的机制仍不清楚, 有待深入研究(Isono, 2020)。
由于植物中缺乏类似于动物和酵母的ESCRT-0组分同源蛋白, 因此有无蛋白代替ESCRT-0复合体识别、结合泛素化的货物蛋白并招募下游ESCRT组分蛋白, 成为研究植物ESCRT复合物的重要问题之一(崔勇等, 2019)。通过对ESCRT-0复合体亚基VPS27/HRS保守结构域氨基酸序列的比对分析, 在拟南芥中鉴定到含有该保守结构域的FREE1蛋白(图2)。FREE1是双子叶植物中的特有蛋白, 在酵母和动物中均未发现其同源蛋白。FREE1蛋白由N端的Pro富集结构域(PRR)、C端的FYVE结构域和CC结构域组成, 在FYVE结构域中还存在2个PTAP-like基序。FYVE结构域在功能上高度保守, 通过PTAP-like基序, FREE1能与ESCRT-I组分蛋白VPS23互作, 也可以与MVB/ PVC膜上的磷脂酰肌醇3-磷酸(phosphatidylinositol- 3-phosphate, PI3P)结合从而定位到MVB/PVC膜上。此外, 通过其N端的PRR结构域, FREE1蛋白也可以与在ESCRT-I上发挥功能的ALIX蛋白互作, 调控MVB/PVC的形成(Shen et al., 2016)。FREE1基因缺失会导致MVB/PVC无法正常形成, 内腔中ILV数量显著减少, 大量小液泡堆积无法形成正常形态以及功能的大液泡, 致使泛素化蛋白降解受阻, 自噬体大量积累, 最终导致植株死亡。因此, FREE1蛋白对ESCRT介导的泛素化蛋白质降解起重要调控作用(Gao et al., 2014, 2015)。此外, FREE1蛋白还可通过其碳端的CC结构域与自噬途径调节因子SH3P2 (SH3 domain-containing protein 2)蛋白氮端的BAR (Bin- amphiphysin-Rvs)结构域相互作用, 介导自噬体形成, 调节蛋白质的降解(Gao et al., 2015)。Belda- Palazon等(2016)针对FREE1功能的进一步研究发现, FREE1不仅能介导ABA受体蛋白PYL4进入液泡降解, 在ABA处理条件下, FREE1蛋白还可被SnRK2 (SNF1-related protein kinase 2)蛋白激酶磷酸化, 进入细胞核与碱性亮氨酸拉链转录因子ABI5 (ABA- INSENSITIVE5)和ABF4 (ABA-RESPONSIVE ELEMENTS BINDING FACTOR 4)结合, 进而抑制其活性, 降低其结合下游基因的能力, 抑制下游基因的表达水平。利用CRISPR-Cas9技术获得的free1-ctmut突变体则表现出ABA敏感性(Li et al., 2019), 暗示FREE1除在传统囊泡运输过程及自噬体途径发挥作用, 还在ESCRT介导的胁迫应激反应中行使重要功能。Xia等(2020)和Xiao等(2020)研究表明, FREE1与SINAT家族蛋白SINAT1-5均具有互作关系, SINAT可通过调控FREE1及ESCRT-I组分蛋白VPS23A的泛素化而进入蛋白酶体降解途径。不仅如此, SINAT还可结合FREE1或VPS23A, 形成SINAT-FREE1或SINAT-VPS23A复合体, 该复合体的降解依赖MVB/ PVC介导的自噬体途径(Xia et al., 2020)。因此, SINAT蛋白可能是决定ESCRT组分蛋白进入蛋白酶体或自噬体降解途径的关键因子。Xiao等(2020)进一步研究显示, 过表达SINAT1-4蛋白可促进FREE1降解, 但过表达SINAT5可增强FREE1的稳定性, 因此SINAT家族蛋白在调控ESCRT-I复合体功能上具有多样性和精密性。
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